JPS6011005A - 蒸気タ−ビンの再熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、例えば原子力発電プラントなどにおいて、湿
り度の高い蒸気から湿分を除去した後の蒸気を過熱蒸気
に再熱する蒸気タービンの再熱装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に、沸騰水型や加圧水型の軽水炉あるいは新屋転換
炉を用いる原子力発電プラントにおいて、蒸気タービン
に送給される蒸気は、化石燃料を用いる火力発電プラン
トにおける蒸気と比較して、湿分がはるかに多いいわゆ
る湿り蒸気である。この湿り蒸気中の湿分は蒸気タービ
ンの羽根を侵食するばかりでなく蒸気タービンの効率低
下をまね（ため除去せねばならない。そこで原子力発電
プラントでは、高圧タービンと低圧タービンの間に、例
えばシェブロン屋のよっなドレンポケット付波板形状の
湿分分離装置を設けて、高圧タービン排蒸気中忙含まれ
ている１０％程度の湿分を１％あるいぼそれ以下まで減
じている。さらに、この湿分の低下した蒸気を、高圧タ
ービンからの抽気蒸気あるいは原子炉で発生する蒸気を
加熱源とした再熱装置で加熱し、過熱蒸気を低圧タービ
ンに供給する再熱サイクルを採用すると、低圧タービン
の効率向上に寄与するばかりでなく、湿り蒸気による低
圧タービンの侵食を緩和することができる。

一般に、この湿分分離装置と再熱装置は１つのハウジン
グの中に収容されており、湿分分離再熱装置と呼ばれて
いる。

従来、この種の再熱装置として用いられているものは、
１段再熱形式と２段再熱形式とに大別できる。前者は原
子炉で発生する蒸気で再熱を行なう形式であり、これに
対し後者は、高圧タービンからあ抽気蒸気で第１段の再
熱を行ない、さらに原子炉で発生する蒸気で第２段の再
熱を行なう形式；ある。これらの再熱装置は、いずれも
再熱側蒸気を管内に流し、被再熱側の蒸気を管外に流す
形式の直交流型多管式熱交換器である。

まず、従来の湿分分離再熱装置を第１図ないし第４図に
より説明する。

横方向に延在する円筒形のハウジング１の両端はそれぞ
れ蓋板２ａ、２ｂにより密閉されており、このハウジン
グ１の下部には一対の被占熱湿り蒸気導入管３，３がハ
ウジング１の軸方向に間隔を隔てて設けられている。ま
た、再導入管３，３間のハウジング１にはドレン排出管
４が設けられている。一方、前記ハウジング１の上部に
は、一対の過熱蒸気排出管５，５が被占熱湿り蒸気導入
管３．３と対応するようにハウジング１の軸方向に間隔
を隔てて設けられ℃いる。

前記ハウジング１内は、それぞれ前記蓋板２ａ。

２ｂの近傍を円形の仕切板６ａ、６ｂにより軸方向に仕
切られており、前記ハウジング１の底部内には水平方向
に延在し、再仕切板６ａ　、６ｂを接続する底板７が設
けられている。また、ハウジング１の軸線より多少下方
のハウジング１内には、前記底板７と平行配置された天
井板８が側仕切板６ａ　、６ｂを接続するように配設さ
れており、この天井板８の幅方向中間位置の下面には底
板７からそれぞれ斜め上方に延在する多数の開口の形成
された一対の蒸気分配板９，９が接続されている。

そして、画然気分配板９，９は側仕切板６ａ　、　６ｂ
に接続されており、画然気分配板９，９および底板７に
より囲繞された断面三角形の蒸気分配室ｌＯが形成され
ている。また、前記天井板８０幅方向両端部には垂直方
向に延在し、画然気分配板９゜９の外側においてそれぞ
れ底板７ε接続された湿分分離壁１１　、１１の上端が
固定されており、湿り蒸気が湿分分離壁１１　、１１を
通過する際に蒸気中の湿分が分離除去されるようになっ
ている。

前記天井板８の幅方向両端部上には、前記の側仕切板６
ａ　、６ｂを接続し、断面はぼ正三角形をなす一対の分
割板１２　、１２がそれぞれ傾斜状に配設されており、
さらに、各分割板１２　、１２と平行となるようにハウ
ジング１に取付けられた一対の対向板１３　、１３が対
設されている。各対向板１３　、１３の主要部は傾斜配
置されているが、上端部は垂直方向に配置されており、
したがって、ハウジング１内にはほぼ逆Ｖ字状の再熱路
１４が形成されることになる。一方、前記蓋板２ａ　、
２ｂおよび仕切板６ａ、６ｂ間のハウジング１内の各空
間１５ａ　、　１５ｂには、第１段再熱装置の第１段再
熱ヘッダ１６ａと、第２段再熱装置の第２段再熱ヘッダ
１６ｂとが斜めに位置するようにそれぞれ設げられてい
る。第３図の想像線は、第１図の右側の空間１５ｂ内に
ある一対の再熱ヘッダ１６ａ、１６ｂを示している。そ
して、各再熱ヘッダ１６の複数本のＵ字状伝熱管１７゜
１７・・・・・・が前記再熱路１４内に配設されている
。このうち、第２図の下方に示す２つの伝熱管束１８ａ
。

１８ａが第１段再熱装置のものであり、また第２図の上
方に示す２つの伝熱管束１８ｂ、１８ｂが第２段再熱装
置のものである。

前記第１段および第２段再熱装置の詳細が第４図に示さ
れている。すなわち、再熱ヘッダ１６内は隔壁１９によ
り高温室銀および低温室２１に区画されており、前記高
温室加には再熱蒸気導入管ｎが接続され、前記低温室２
１にはドレン排出管おおよびベンド蒸気排出管列が接続
されている。また、前記低温室２１には人の出入りのた
めのマンホール５が形成されている。さらに、再熱ヘッ
ダ１６の開口か側には、両端を前記高温室加および低温
室２１に連通された複数本のＵ字状伝熱管１７が接続さ
れており、各伝熱管１７は、Ｕベンド郡部を中間とした
上で、入口側となる直管部２７ヲ上部とし、出口側とな
る直管部四を下部となるように水平方向に配置されてい
る。そして、伝熱管束１８は複数枚の支持板刃、３０・
・・・・・により支持されている。

前記の各伝熱管１７は、外周に多数の熱交換用フィン（
図示せず）が突設されているが、フィンの高さの低いい
わゆるローフイン管を用いるのが普通である。なお、フ
ィン付き管を用いるのは、伝熱管１７内は凝縮現象を伴
なっているため伝熱係数が高いのに対し、管１７の外側
は蒸気単相熱伝達で伝熱係数が低いためである。

前記伝熱管１７の出口側となる直管部四の整列状態の詳
細が第５図に示されている。

第５図において、水平面内で配置された複数本の直管部
四からなる直管部列３１の直管部２９の間に次段の直管
部四が位置するようにして直管部列３１が多段に配列さ
れており、各直管部列３１における隣位の一対の直管部
２９　、２９間の間隔はそれぞれ等しくされている。

つぎに、再熱側および被再熱側蒸気の流れについて説明
する。

まず、被再熱側蒸気は、被占熱湿り蒸気導入管３より流
入し、蒸気分配室１０中を軸方向へ流れ、蒸気分配板９
で２分され、その後例えばドレンポケット付波板形状の
湿分分離壁１１を通過する間に湿分を除去され、再熱管
１４に送られる。ここで除去された湿分（ドレン）は、
重力によって湿分分離壁１１中を流下し、集められてド
レン排出管４より排出され、図示しないドレンタンクに
集められる。再熱路１４に送られた蒸気は、第１段およ
び第２段のＵ字状の伝熱管１７の外側を流れる間に、伝
熱管１７内を流れる再熱蒸気と熱交換して過熱蒸気とな
り、最終的に過熱蒸気排出管空より流出して低圧タービ
ンに送られる。

一方、高圧タービンからの抽気蒸気あるいは原子炉発生
蒸気である再熱側蒸気は、再熱蒸気導入管部を通して再
熱ヘッダ１６の高温室加に流入し、ついで複数本の伝熱
管１７に分配されて管内を流れる。この間に再熱蒸気は
、前述のように伝熱管１７外を流れる被再熱側蒸気と熱
交換するため徐々に凝縮し、伝熱管１７内を流れる間に
環状流、波状流、層状流といったように２相流で流れ、
流動様式も変動する。そのため伝熱管１７の入口付近で
は、気体重量比すなわちクォリティがほぼ１で気相であ
るのに対し、伝熱管１７の出口伺近ではほぼＯとなりほ
とんど液相ドレンとなる。このドレンは低温室２１に流
入し、ここからドレン排出管ｎを通して図示しないドレ
ンタンクに集められる。また凝縮しきらなかった再熱側
蒸気はベンド蒸気排出管Ｕより流出する。このような再
熱側蒸気の流れは、第１段再熱装置、第２段再熱装置と
もほぼ同じである。

〔背景技術の問題点〕

しかし７ｒがら、再熱側蒸気の管内流れ状態は、総ての
伝熱管１７で前述したようにはならずばらつきがある。

すなわち、第６図に示すように、伝熱管１７のうち外側
伝熱管１７Ａと内側伝熱管１７Ｂとで特に異なっている
。外側伝熱管１７Ａと内側伝熱管１７Ｂとを比較した場
合、管内の蒸気温度は両者においてほぼ同じであるが、
管外被再熱蒸気は、外側管１７Ａの下部直管部門、内側
管１７Ｂの下部直管部門、内側管１７Ｂの上部直管部２
７、外側管１７Ａの上部直管部ｎへと流動するにつれて
次第に加熱され、温度が上昇する。それ故相対的に外側
伝熱管１７Ａのほうが管内外温度差が犬ぎ（、熱交換量
が大きくなる。そこで外側伝熱管１７Ａの下部直管部２
９を流れる管内再熱側蒸気は、その大きい管内外温度差
のため、内側伝熱管１７Ｂの下部直管部門を流れる管内
再熱蒸気と比べて早く凝縮しドレンとなり、一部の箇所
では凝縮を伴う二相状態の蒸気−蒸気の熱交換ではな（
、ド１／ンー蒸気の熱交換となる。したがってドレンは
飽和水の状態よりも更に冷され、過冷却を起す。この過
冷却により、低温室２１に流入するドレンと未凝縮蒸気
の温度差は５０〜６０℃にも達する場合があり、伝熱管
１７や再熱ヘッド１６に極端な温度分布ができて局所的
な高応力が生じ、再熱装置および伝熱管１７の寿命に著
しい低下をもたらす。

また、各伝熱管１７は共通の高温室孔と低温室２１を連
通しているため、これらの伝熱管１７内の圧力降下は大
体等しくなっている。したがって、外側伝熱管１７Ａの
下部直管部器ではドレンの過冷却が起っているので管内
はドレンで閉塞されるが、前述の圧力バランスのため伝
熱管１７内のドレンが一斉に蒸気によって押し出される
いわゆるンラツデイング現象を呈する。このような流れ
の不安定現象は、水蒸気と水の二相流れでしばしば発生
している。この不安定現象が起ると伝熱管１７と管板の
溶接部が温度履歴をうけ、この溶接部が熱疲労によって
破損あるいは損傷するというトラブルが生じる。

さらにまた、伝熱管１７の極端な温度分布は、伝熱管１
７の長さと相俟って個々の伝熱管１７で伸び量の差を生
じ、伝熱管１７が支持板（至）の管孔に拘束されて変形
の生じる場合がある。

このようなトラブルや不都合が生じた場合、原子力発電
プラントを停止して補修せねばならず、コスト的および
社会的影響が大ぎいばかりでなく、原子力発電プラント
の安全運転上からも好ましくない。

〔発明の目的〕

本発明は、前述した点に鑑み、再熱蒸気ドレンの過冷却
を防止するようにした蒸気タービンの再熱装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

前述した目的は、本発明によれば出口側となる直管部列
の下端から数列の隣位の一対の直管部間の間隔を他の直
管部列の隣位の一対の直管部間の間隔より太き（すると
ともに、この間隔を太き（された直管部列に対応する部
位の分割板および対向板間の間隔を他の部位より広くし
たことにより　。

達成される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例により説明する。

第７図は本発明の第１実施例を示すものであり、分銅板
１２および対向板１３間に形成されている被再熱側蒸気
流通路１４に設けられた多数の伝熱管１７゜１７・・・
・・・の出口側となる直管部列３１の下端から数列３１
Ａ、３１Ａ・・・・・・の隣位の一対の直管部四、２９
間の間隔（管ピッチ）は、他の直管部列３１の隣位の一
対の直管部２９　、２９間の間隔（管ピッチ）より太き
（されており、しかも、この間隔は下方の直管部列３１
Ａになるほど漸増している。

また、管ピッチを大ぎ（された直管部列３１Ａに対応す
る部位の分割板１２および対向板１３間の間隔は斜めに
拡開するように太き（されている。

前述した構成によれば、下端から数列３１Ａの直管部列
３１における直管部四のピッチが大きいので、この部位
における被再熱側蒸気の流速が遅（、したがって熱貫流
率が下り、この部分における熱流速が減少し、管内を流
れている再熱側蒸気が完全に液相すなわちドレンとなる
箇所が後流側へ移行し、その結果として再熱側蒸気のド
レン過冷却および流れの不安全を除去することができる
。

また、直管部列３１の入口部の通路面積がふえ、被再熱
側蒸気の流速が低下することは、伝熱管の振動による破
損を防止する観点からも好ましい。

一般に直交流型多管式熱交換器の直管部列３１０入口部
は、管外流体の高流速により流体誘起振動を起しやすく
、時には隣位の一対の伝熱管１７同志が激しく振動しぶ
つかりあい、伝熱管１７の支持板凹にあたる部分が接触
摩耗を起し、伝熱管１７が破損に到る場合もある。なか
でも、管外流速がある値以上になると急激に大きな伝熱
管１７の振動現門が始まる流力弾性振動が知られている
が、この振動はある値以下の流速まで下げないと大振動
がおさまらない場合があるので、熱交換器では特に注意
せねばならない。したがって、直管部列３１０入口部の
流速を低くおさえることが重要である。このような実施
例の構成の蒸気タービンの再熱装置は伝熱管１７の振動
破損防止という観点からも優れている。

では、前述したドレン過冷却の防止について第８図ない
し第１０図を参照してさらに詳細に説明する。

１例として外径が１９．０５ｍのローフイン管で、全体
を５．４ｍ当り％山のフィン付伝熱管を用いた場合と、
外側伝熱管１７Ａの下部直管部２９の１都に６．４簡当
り１９山のフィン付伝熱管を用いた場合について比較す
る。これら３図中破線は従来の場合を示し、実線は実施
例を示す。まず、熱貫流率、管外伝熱係数、フィン抵抗
および熱流束について説明しておく。

ローフイン管を含めフィン付管の内径基準の熱貫流率に
は（１）式で定義される。

ただし ｈｉ：管内伝熱係数 ｈＯ：管外伝熱係数 ｒｉ：管内汚れ係数 ｒｏ：管外汚れ係数 ｒｆ：フィン抵抗 λｍ：伝熱管の熱伝導率 ｔ　：伝熱管の肉厚 Ａｉ：管内表面積 劫し管内面と外面の平均表面積 Ａｏ：管外表面積 一般に熱貫流率は外径基準を用いているが、本比較のよ
うに管外表面積が変化する場合は外径基準の熱貫流率で
は簡単に比較できないため、内径基準の熱貫流率を使用
する。また管外伝熱係数り。

は無次元数を用いて（２）式のように定義される。ここ
で人は隣合うフィン間の軸方向距離Ｓ、フィン高さ！、
フィン厚さ１（の関数である。

Ｎｕ＝ＡＲ２Ｐｖ　・・・・・・（２）ただし Ｎｕ：　ヌセルト数 Ｒｅ：　レイノルズ数 Ｐｒニブラントル数 Ａ：係数定数 ｍ：指数定数 ■＝指数定数 その他に各無次元数は各々（３）式、（４）式、（５）
式で定義される。

Ｐｒ＝ト　・・・・・・（５） ただし Ｘ：代表長さ λｆ：流体の熱伝導率 ■：流速 シ：流体の動粘性係数 に：流体の温度伝導率 さて第８図は、被再熱側蒸気の入口側直管部列３１の数
列３１Ａのみの管ピッチを大きくした時Ｋ、この数列の
伝熱管１７の熱貫流率が管ピッチとどのような関係にあ
るかを示す図である。横軸は管ピッチｍｍで縦軸は無次
元熱貫流率であり、管ピッチ＝　２５　ｍｍのとぎ無次
元熱貫流率を１としている。

管ピッチが太き（なると管と管の隙間が増大するため相
対的に被再熱側蒸気の流速が低下し、（４）式で定義さ
れる無次元数であるレイノルズ数Ｒｅが低下する。本再
熱装置のような直交流で流れる相変化のない伝熱管１７
の管外伝熱係数は（′；！Ｊ式中ｍ＝ヱであることが文
献で知られている。また（２）式右道中のプラントル数
Ｐｒは流体の物性値であるため管ピッチが変っても変化
しない。それ故管ピッチが大きくなると（２）式の右辺
が低下するため、左辺のヌセルト数Ｎｕも低下し、管外
伝熱係数り。

も低下する。管内凝縮を伴う熱交換器では管内伝熱係数
は凝縮を伴うので大さく、管内熱抵抗は小さく、また管
外熱抵抗を除くその他の熱抵抗すなわち管金属熱抵抗、
管内外汚れ熱抵抗そしてフイン熱抵抗も小さい。そこで
全熱抵抗に占める管外熱抵抗すなわち（１）式右辺分母
の第５項の割合は大きい。第８図は以上の説明のように
熱抵抗のうち管外熱抵抗のみが変化した場合の計算結果
である。

本図より管ピッチが１＋ｍ増加するにつれ熱貫流率は４
〜５％程度減小しているのがわかる。

第９図は同じ（被再熱側蒸気の入口伝熱管数列のみの管
ピッチを太き（した時の管ピッチと無次元熱流束の関係
を示す図である。第８図同様縦軸は管ピッチ＝　２５　
ｍｍのとぎ無次元熱流束な１としている。熱流束ｑは（
６）式に示すように単位時間、単位面積当りに流れる熱
量であるが、熱貫流率にと対数平均温度差△θｍの積で
表わされる。また対数平均温度差Δθｍは（７）式で定
義される。

Ｑ＝に６０ｍ　・・・（６） ただし ｔ工：管内流体入口温度 ｔ２：　管内流体出口温度 １１′：　管外流体入口温度 １２′：　管外流体出口温度 Ｆ　＝修正係数 対数平均温度差は管ピッチが変っても極端には変らない
から第９図の熱流束の傾向は第８図の熱貫流率の傾向と
あまり変っていない。

第１０図は管ピッチ２５ｍｍ−足の場合と被再熱側蒸気
の入口側直管部列３１の数列３１Ａの管ピッチが大ぎ（
なった場合の外側伝熱管１７Ａ内の長手方向の位置のク
ォリティｊなわち気体重量比の分布の説明図である。図
中破線は管ピッチ２５ｍｍ一定の場合で、実線は本実施
例による管ピッチが大きくなった場合である。ここで伝
熱管１７の長手方向の位置とは高温室か内の伝熱管１７
０入口からＵパフ１部列を経由して低温室２１内の伝熱
管１９の出口ま　１での位置を意味する。破線では管内
再熱側蒸気の全量凝縮点すなわちクォリティ＝００位置
がＵベンド部器と管出口の間の直管部２９にあるのに対
し実線では熱流束が低下しているため熱負荷も低減し、
管内再熱側蒸気の全量凝縮点は後流側に移行しはぼ管出
口と一致している。それ故管内なドレンが満水して流れ
る距離がほとんどな（なるためドレンの過冷却を防止で
きる。管ピッチを太き（することは、再熱路１４の幅を
大きくすることを意味し、構造的すなわち機器の寸法上
の制約等の問題を生じるが、それ以上に熱流束を減小さ
せてドレン過冷却を防止する効果の方が大である。

第１１図は本発明の第２実施例を示すものであり、入口
側直管部列数列３１Ａ、３１Ａ・・・・・・の管ピッチ
は相互の列において等しいか、他の直管部列３１の管ピ
ッチよりも犬ぎ（なっている。また、管ピッチな犬さく
された入口側直管部列３１Ａに対応する部位の分割板１
２および分配板１３間の間隔は、途中傾斜部を介し、平
行状態におト１て他の部位より太き（されている。

このような構成によっても、前述した第１実施例と同様
の作用効果を奏することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る蒸気タービンの再熱
装置は、出口側となる直管部列の下端から数列の隣位の
一対の直管部間の間隔を他の直管部列の隣位の一対の直
管部間の間隔より太き、（するとともに、この間隔を太
き（された直管部列に対応する部位の分割板および対向
板間の間隔を他の部位より広くしたのでこの部分の熱流
束が減じ、管内を流れている再熱側蒸気が完全に液相す
なわちドレンとなる箇所が後流側へ移行し、その結果と
して再熱側蒸気のドレン過冷却および流れの不安定を除
去することができる。ひいては従来再熱側蒸気のドレン
過冷却が原因で起っていた局所的な高応力による伝熱管
等の寿命の著しい低下や、伝熱管とヘッダの溶接部に生
じていた熱疲労による破損あるいは損傷そ、して極端な
温度分布のため個々の伝熱管で生じていた伸び差のちが
いによる支持板管孔での伝熱管の変形を防止でき、原子
力発電プラントの安全連転信頼性を向上できる。また管
束入口部の流速を減じているため伝熱管の振動を防止す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の湿分分離再熱装置の縦断面図、第２図は
第１図■−■線による横断面図、第３図は第１図のａｔ
−ｍ線による横断面図、第４図は従来の再熱装置の縦断
面図、第５図は従来の再熱装置の伝熱管内の流れの説明
図、第６図は第４図のＶＩ−ＶＩ線による横断面図、第
７図は本発明に係る再熱装置の実施例を示す縦断面図、
第８図は管ピッチと無次元熱貫流率の関係の説明図、第
９図は管ピッチと無次元熱流束の関係の説明図、第１０
図は伝熱管長手方向の位置とクォリティの関係の説明図
、第１１図は本発明の他の実施例を示す縦断面図である
。 １・・・ハウジング、２ａ　、２ｂ・・・蓋板、３・・
・被占熱湿り蒸気導入管、４・・・ドレン排出管、訃・
・過熱蒸気排出管、６ａ　、６ｂ・・・仕切板、７・・
・底板。 ８・・・天井板、１０・・・蒸気分配室、１４・・・再
熱路、１６・・・再熱ヘッダ、１７・・・伝熱管、２０
・・・高温室、２１・・・低温室、２７．２９・・・直
管部、　３１・・・直管部列。 出願人代理人　猪　股　清 第６図 第５図 第７図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ケーシング内を隔壁により高温室および低温室に区画さ
   れた再熱ヘッドと、再端を前記高温室および低温室に連
   通された複数本のＵ字状伝熱管と、間隔を隔てて設けら
   れ、前記伝熱管の外側に蒸気が下方から上方に流れる被
   再熱側蒸気流通路を形成する分割板および対向板とを有
   し、前記伝熱管の入口側となる直管部を上部とし出口側
   となる直管部を下部となるように水平方向に配置し、水
   平面内で配置された複数本の直管部からなる直管部列の
   直管部の間に次段の直管部が位置するようにして直管部
   列を多段に配列した蒸気タービンの再熱装置において、
   前記出口側となる直管部列の下端から数列の隣位の一対
   の直管部間の間隔を他の直管部列の隣位の一対の直管部
   間の間隔より大さくするとともに、この間隔を大きくさ
   れた直管部列に対応する部位の分割板および対向板間の
   間隔を他の部位より広くしたことを特徴とする蒸気ター
   ビンの再熱装置。　゛